大埋深高地應(yīng)力煤巷卸壓支護(hù)技術(shù)數(shù)值模擬研究

段振榮

(山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院,太原 030045)

隨著煤炭資源的枯竭[1],我國(guó)煤礦開(kāi)采逐步進(jìn)入深部,受大埋深高地應(yīng)力影響,圍巖變形難以控制[2],普通的錨桿索支護(hù)難以滿足安全生產(chǎn)的要求[3],同時(shí)錨桿索支護(hù)成本高,返修費(fèi)用大,巷道安全性差,給煤礦帶來(lái)諸多問(wèn)題[4],國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究認(rèn)為,圍巖卸壓能夠改善巷道的受力環(huán)境,將高地應(yīng)力轉(zhuǎn)化為地應(yīng)力環(huán)境,從而延長(zhǎng)巷道的使用壽命[5-7]。

武泉森[8]等學(xué)者通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬的研究確定千米深井卸壓巷道的合理位置,對(duì)回采巷道的留設(shè)具有極大的指導(dǎo)意義。劉紅崗[9]等學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道卸壓機(jī)理及巷道應(yīng)力場(chǎng)分布狀況進(jìn)行研究,研究表明合理的卸壓孔位置能夠改善巷道圍巖受力結(jié)構(gòu),使巷道處于低應(yīng)力區(qū)。許多學(xué)者對(duì)大埋深高地應(yīng)力回采巷道的合理支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究,但對(duì)于堅(jiān)硬煤層復(fù)合頂板回采巷道的卸壓支護(hù)技術(shù)卻鮮有研究,筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、工程類比及數(shù)值模擬的研究方法,對(duì)大埋深高地應(yīng)力煤巷的合理支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

小回溝煤礦位于山西省太原市清徐縣,主可采煤層為2#煤,埋深為700 m,煤質(zhì)較硬,煤層頂板多層厚度較小但層數(shù)多,直接頂厚度大,屬于典型的大埋深特厚復(fù)合頂板?；夭晒ぷ髅鎱^(qū)段煤柱寬度為10 m,工作面回采期間,受高地應(yīng)力影響,巷道變形嚴(yán)重,巷道斷面收縮率大,錨桿索托盤變形破壞嚴(yán)重。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

建立長(zhǎng)×寬×高為249.2 m×120 m×100 m的數(shù)值模型,模型共劃分586 900個(gè)單元格,共678 703個(gè)節(jié)點(diǎn),模型邊界條件為模型四周及底板固支,頂板施加16.77 MPa原巖應(yīng)力,21206工作面回采后,回采21208工作面,圖1為模型邊界示意圖。各巖層巖石力學(xué)參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)確定,如表1所示。

圖1 模型邊界示意圖Fig.1 Model boundary diagram

巖層層厚/m體積模量/MPa剪切模量/MPa內(nèi)聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)02#煤0.91.520.912.531.8514.8023.23泥巖1.43.952.654.254.1132.8835.5003#煤0.31.550.952.451.9215.3623.23砂質(zhì)泥巖2.54.442.955.985.3247.8832.32煤線0.61.350.822.671.5714.1327.19粉砂巖1.96.253.255.344.9644.6437.32軟弱夾層0.42.201.371.111.239.8423.23泥巖2.43.952.654.654.9639.6832.801#煤11.571.182.531.8514.8023.23粉砂巖3.66.343.255.345.3243.6238.38夾層0.51.711.241.381.068.6920.74粉砂巖1.25.942.584.914.5637.3935.84細(xì)砂巖1.73.531.623.222.9823.8431.182#煤2.41.672.372.151.9315.4423.23粉砂巖1.255.642.584.834.2934.3222.22泥巖0.73.872.654.253.2527.7641.41煤線0.51.320.912.371.9316.4823.23泥巖3.63.872.654.253.2527.7641.41

2.2 模擬方案及過(guò)程

通過(guò)理論計(jì)算及工程類比法確定以下13種支護(hù)方案,并通過(guò)數(shù)值模擬研究對(duì)比論證各個(gè)方案的可行性,具體支護(hù)方案如表2所示。模擬過(guò)程為掘進(jìn)工作面回采巷道并采用方案及時(shí)支護(hù),回采21206工作面,待工作面回采穩(wěn)定后,回采21208工作面。

表2 模擬方案表Table 2 Simulation plans

2.3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)模擬對(duì)比分析方案一、二、三、五、六在巷道掘進(jìn)期間及回采期間均無(wú)法保證回采巷道的安全使用。方案四、七至十三在未受采動(dòng)影響時(shí)能夠滿足回采工作面巷道支護(hù)要求,但受相鄰工作面采動(dòng)影響后,方案均無(wú)法滿足回采巷道的安全使用,研究表明,卸壓孔能夠?qū)鷰r應(yīng)力轉(zhuǎn)化至圍巖深部,使巷道處于地應(yīng)力環(huán)境,從而能夠保證巷道的安全使用。在巷道圍巖打直徑為100 mm卸壓孔,卸壓孔排距為800 mm,與錨桿間隔布置,配合錨網(wǎng)索支護(hù)方案能夠有效的保證巷道安全穩(wěn)定,以下僅列出具有代表性的支護(hù)方案。

圖2為各方案塑性區(qū)云圖,當(dāng)巷道采用方案一支護(hù)時(shí),巷道頂板破壞深度為2.5 m,頂板上方6.6 m處出現(xiàn)整體離層,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度最大達(dá)到2.7 m,巷道無(wú)法正常使用;當(dāng)巷道采用方案九支護(hù)時(shí),巷道頂板破壞深度為2.2 m,底板破壞深度為0.6 m,兩幫破壞深度最大達(dá)到2.5 m,巷道無(wú)法正常使用;當(dāng)巷道采用方案十一與開(kāi)卸壓孔聯(lián)合支護(hù)技術(shù)時(shí),巷道頂板破壞深度為1.6 m,底板破壞深度為0.3 m,兩幫破壞深度最大達(dá)到1.9 m,巷道無(wú)法正常使用;當(dāng)巷道采用方案八與開(kāi)卸壓孔聯(lián)合支護(hù)技術(shù)時(shí),巷道頂板破壞深度為1.4 m,底板破壞深度為0.6 m,兩幫破壞深度最大達(dá)到1.3 m,小于錨桿錨固長(zhǎng)度,巷道能夠正常使用。圖3為對(duì)應(yīng)的各方案應(yīng)力云圖。

圖2 各方案塑性區(qū)云圖Fig.2 Nephogram of plastic zone in various plans

3-a 方案一

3-b 方案九

3-c 方案十一

3-d 方案八圖3 各方案應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram in various plans

當(dāng)巷道采用方案一支護(hù)時(shí),因煤層硬度大,圍巖應(yīng)力峰值為35.86 MPa,為原巖應(yīng)力18.06 MPa的1.98倍;當(dāng)巷道采用方案九支護(hù)時(shí),因煤層硬度大及錨桿的錨固作用,圍巖應(yīng)力峰值為45.32 MPa,為原巖應(yīng)力18.06 MPa的2.5倍;當(dāng)巷道采用方案十一與開(kāi)卸壓孔聯(lián)合支護(hù)時(shí),因煤層硬度大、錨桿的錨固及卸壓孔作用,圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部,圍巖應(yīng)力峰值為26.91 MPa,為原巖應(yīng)力18.06 MPa的1.49倍;當(dāng)巷道采用方案八與開(kāi)卸壓孔聯(lián)合支護(hù)時(shí),因煤層硬度大、錨桿的錨固及卸壓孔作用,圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部,圍巖應(yīng)力峰值為50.07 MPa,為原巖應(yīng)力18.06 MPa的2.77倍。這表明卸壓孔能夠明顯改善圍巖的受力環(huán)境,使巷道處于應(yīng)力降低區(qū),保證巷道安全穩(wěn)定的使用。

3 工程應(yīng)用

小回溝煤礦21208工作面回風(fēng)順槽800 m處回采巷道實(shí)況圖,見(jiàn)圖4,由圖可知,回采巷道采用方案八與開(kāi)卸壓孔聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后,巷道在回采期間穩(wěn)定性較好,頂板完整性較好,整體支護(hù)效果好,能夠滿足回采巷道的安全使用。

圖4 煤礦實(shí)況圖Fig.4 Actual diagram of coal mine

圖5 順槽位移曲線Fig.5 Displacement curves of gateway

21206工作面回采期間,21208工作面回風(fēng)順槽位移曲線見(jiàn)圖5,巷道受21206工作面采動(dòng)影響后,頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到432 mm,兩幫最大移近量達(dá)到591 mm,巷道變形量小,在工作面回采期間能夠保持安全穩(wěn)定,說(shuō)明所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案“錨桿索+卸壓孔”可行。

4 結(jié)論

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知小回溝煤礦頂板為典型的大埋深高地應(yīng)力復(fù)合頂板,通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn),確定特厚復(fù)合頂板各巖層巖石力學(xué)參數(shù),并分析確定回采巷道變形嚴(yán)重的原因?yàn)榇舐裆罡叩貞?yīng)力特厚復(fù)合頂板(變形大)及堅(jiān)硬煤層(應(yīng)力易集中于煤層中)。

2)通過(guò)理論計(jì)算及工程類比法提出十三種巷道支護(hù)方案,模擬方案一、二、三、五、六在巷道掘進(jìn)期間及回采期間均無(wú)法保證回采巷道的安全使用。方案四、七至十三在未受采動(dòng)影響時(shí)能夠滿足回采工作面巷道支護(hù)要求,但受相鄰工作面采動(dòng)影響后,方案均無(wú)法滿足回采巷道的安全使用。因此提出“錨桿索+卸壓孔”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3)通過(guò)數(shù)值模擬確定方案八與卸壓孔支護(hù)技術(shù)能夠保證巷道的安全穩(wěn)定使用,卸壓孔能夠?qū)⒋舐裆罡叩貞?yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部,從而保證巷道處于低應(yīng)力區(qū),現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)方案能夠有效地保證回采巷道在工作面回采期間的安全使用,巷道處于低應(yīng)力區(qū),圍巖變形量較小。

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